基于接触理论的精准砂带磨削基础研究

发布时间：2017-07-26 00:24

  本文关键词：基于接触理论的精准砂带磨削基础研究

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【摘要】：叶片作为航空发动机的关键零件之一,其截面形状与尺寸精度以及表面完整性对航空发动机的性能具有至关重要的影响。航空发动机叶片经过铣削或精密锻造后,具有加工余量分布不均匀、曲率变化大等特点。传统的加工工艺难以满足航空发动机叶片加工精度、表面质量的一致性以及智能化制造要求,迫切需要采用新型加工方法以解决其加工难题。砂带磨削因同时兼具磨削和抛光的双重作用,且其弹性磨削的特性在型面平滑过渡方面具有独特的拟合效果,尤其适用于弱刚性复杂曲面的精密加工。然而,当前关于精准砂带磨削机理的研究仍不完善。因此,本文基于弹性接触理论,结合砂带弹性磨削和航发叶片难加工的特点,对曲面精准砂带磨削机理及其关键技术进行研究。论文的主要研究工作如下:①以金字塔砂带为研究对象,建立多颗磨粒模型,在此基础上,依据砂带单颗磨粒切刃切除材料理论模型,进行砂带磨削多颗磨粒材料去除的仿真研究,探讨接触压力和磨粒个数对工件表面粗糙度和材料平均去除深度的影响规律;针对航空发动机叶片典型材料,开展Tc4钛合金材料去除效率砂带磨削试验,研究不同磨削参数对航发叶片材料去除率的影响规律,并通过非线性回归方法建立恒压强材料去除率预测模型,为下一步建立表面去除廓形模型提供理论基础。②进行砂带磨削接触状态符合赫兹接触理论基本假设的理论分析,并研究赫兹接触理论与半赫兹接触理论的推导过程。在此基础上,由接触压强均匀分布的平面砂带磨削材料去除率模型,推导并建立曲面砂带磨削表面材料去除廓形的预测模型;进而开展橡胶接触轮与工件接触的有限元仿真分析,探讨接触轮半径、橡胶硬度、厚度比、接触压力以及工件半径等因素对法向接触压强分布的影响规律,并通过接触试验和表面去除廓形试验验证上述建立模型的正确性,为实现精准砂带磨削奠定理论基础。③结合橡胶接触轮弹性变形的特点,研究表面去除廓形对走刀行距和步长的影响规律,并推导出材料去除深度和残留高度的近似计算公式。在此基础上,提出面向精准材料去除的路径规划和磨削压力优化方法,并开展基于该方法的航发叶片精准材料去除砂带磨削仿真分析,为精准砂带磨削提供技术支撑。④针对航发叶片难加工的特点,本文应用上述建立的弹性接触模型、表面去除廓形模型以及提出的砂带磨削路径规划方法,进行航发叶片型面和边缘的精密砂带磨削试验及仿真研究。通过检测分析叶片的加工精度和表面质量,验证面向精准材料去除的砂带磨削路径规划方法在精密砂带磨削加工中的适用性,为实现航发叶片精准砂带磨削的工程化应用提供指导。
【关键词】：航发叶片 砂带磨削 接触理论 精准
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V263
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 概述8-24
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 叶片砂带磨削方法国内外研究现状9-15
• 1.2.1 叶片加工方法简介9-11
• 1.2.2 叶片砂带磨削加工研究现状11-13
• 1.2.3 复杂型面砂带磨削加工路径研究现状分析13-15
• 1.3 砂带磨削国内外研究现状15-20
• 1.3.1 砂带磨削材料去除模型的研究现状15-18
• 1.3.2 砂带磨削接触模型的研究现状18-20
• 1.4 目前研究中存在的问题20-21
• 1.5 课题研究的依据和研究意义21-24
• 1.5.1 本课题来源21
• 1.5.2 研究意义21-22
• 1.5.3 论文主要研究内容22-24
• 2 砂带磨削材料去除率的主要影响因素分析24-46
• 2.1 砂带磨削材料去除的作用机理24-34
• 2.1.1 砂带磨粒几何模型24-27
• 2.1.2 单颗磨粒材料去除机理27-29
• 2.1.3 砂带磨削材料去除的仿真与分析29-34
• 2.2 影响砂带磨削材料去除率因素的试验与分析34-40
• 2.2.1 钛合金砂带磨削材料去除试验方法34-35
• 2.2.2 钛合金砂带磨削材料去除试验结果与分析35-40
• 2.3 材料去除率模型的建立40-44
• 2.4 本章小结44-46
• 3 基于接触理论的表面去除廓形模型研究46-78
• 3.1 砂带磨削接触状态分析46-48
• 3.2 砂带磨削接触表面的压强分布模型48-56
• 3.2.1 内外圆和平面砂带磨削的法向压强分布模型48-50
• 3.2.2 曲面砂带磨削的法向压强分布模型50-56
• 3.3 基于有限元法的接触压强分析及试验验证56-68
• 3.3.1 接触轮曲率半径对法向接触压强分布规律的影响59-61
• 3.3.2 厚度比对法向接触压强分布规律的影响61-62
• 3.3.3 橡胶硬度对法向接触压强分布规律的影响62-63
• 3.3.4 接触压力对法向接触压强分布规律的影响63-65
• 3.3.5 工件曲率半径对法向接触压强分布规律的影响65-66
• 3.3.6 接触表面测试验证试验66-68
• 3.4 砂砂带磨削表面去除廓形模型及试验验证68-75
• 3.4.1 砂带磨削平面工件表面去除廓形69-70
• 3.4.2 砂带磨削曲面工件表面去除廓形70-71
• 3.4.3 表面去除廓形测试验证试验71-75
• 3.5 本章小结75-78
• 4 基于表面去除廓形的砂带磨削加工轨迹规划78-92
• 4.1 基于接触轮变形的走刀步长78-80
• 4.2 基于弹性接触理论的走刀行距80-85
• 4.3 面向精准材料去除的路径规划和磨削压力优化方法85-87
• 4.4 基于路径规划的航发叶片精准砂带磨削仿真分析87-90
• 4.5 本章小结90-92
• 5 航空发动机叶片砂带磨削试验92-112
• 5.1 航空发动机叶片余量分布模型92-96
• 5.2 叶片型面砂带磨削试验与分析96-101
• 5.2.1 弹性接触砂带磨削压力控制方法96-100
• 5.2.2 叶片型面砂带磨削试验与分析100-101
• 5.3 叶片边缘砂带磨削仿真与试验101-109
• 5.3.1 叶片边缘磨削仿真与优化101-105
• 5.3.2 叶片边缘砂带磨削试验105-109
• 5.4 本章小结109-112
• 6 结论与展望112-114
• 6.1 主要研究成果及结论112-113
• 6.2 开展后续研究的设想113-114
• 致谢114-116
• 参考文献116-124
• 附录124
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文124
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目目录124
• C. 作者在攻读学位期间参与的获奖情况124

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本文编号：573990